ASIPP EASTEAST 多道远红外多道远红外 DCNDCN 激光激光

干涉仪研制进展干涉仪研制进展

高翔，揭银先，刘海庆，程永飞，童兴德， M.ASIF ，高丽

2004 年 8 月 27 日

• EAST 托卡马克 DCN 激光干涉仪研制的意义

• DCN 激光干涉仪研制进展

• 困难和解决的办法

• 小结

汇报提纲汇报提纲

1 、 HCN 远红外激光波长为 337m ， EAST 的等离子体中心到窗口的距离大于 4 米，因而利用 EAST 同一个垂直窗口最多只能做到四道远红外 HCN 激光干涉仪。

如果把 HCN 远红外激光器换为 DCN 远红外激光器，其波长为 195m ，可以做到六道 DCN 远红外激光干涉仪。所以，研制 DCN 激光器可以得到更高精度的等离子体截面上的电子密度的空间分布。

为什么在 EAST 上要研制 DCN 激光干涉仪？

2 、在沿波的传播方向上，等离子体有横向密度梯度时，探测束将产生由于折射率变化引起的折射现象，使光束偏离直线传播，这对于干涉测量有重要的影响，特别是在多道干涉仪中，严重的折射现象将会使不同的干涉道之间产生串扰。若密度分布是抛物线分布， ne0 为中心的电子密度。干涉仪窗口到等离子体截面中心距离为 Z0 ，则由于折射效应造成的出射束在窗口处的最大位置偏差为：

Δ ≈ 8.97×10-16λ2ne0Z0

对于 EAST 超导托卡马克，放电运行有更高的等离子体电子密度，要求探测束波长更小。保证正确可靠的等离子体密度测量，也需要产生激光波长更小的 DCN 激光器。

3 、 DCN 激光器比 HCN 激光器的输出功率大。同样尺寸的

DCN 激光器输出功率比 HCN 激光器大一倍左右。

4 、 DCN 激光器和 HCN 激光器在结构和原理上相似。从我所和国内的研究情况看，在采用电激励远红外激光器测量托卡马克等离子体电子密度方面，技术较成熟。我们曾先后在 HT-6B 、 HT-6M 和 HT-7 上成功地研制过单道和多道 HCN 激光干涉仪，实现长期可靠的稳定运行，积累了多方面的成功经验，有很好的技术基础。

我们此次要研制开发的大功率连续波 DCN 激光器成功后将极大的缩小与国外在远红外激光诊断方面的差距；也是为将建成的 EAST 超导托卡马克提供可靠的等离子体电子密度测量奠定基础。

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• 小结

DCN 激光器研制进展

2003 年春天以来，已成功地研制出两台 DCN 激光器，一台用于台面实验，一台用于 EAST 干涉仪。

DCN 激光器结构示意图

这是一台直流电激励连续辉光放电的波导型远红外 DCN 激光器。① 放电管：材料为 17# 玻璃，内径 48mm ，外径 54 mm ，长 3.4 m ，放电长度为 3 m 。放电管外面装有油套冷却系统，油温由超级恒温器控制。② 电极：辉光放电的两个电极用黄铜或其他材料做成，内衬有低溅射率的稀有金属或其化合物。③谐振腔： DCN 激光器的谐振腔为波导型谐振腔，拟采用平面腔形式。腔的一端是平面反射镜，用千分尺调节反射镜的水平位移，用螺钉调节其角度，以得到所需的激光模式和稳定、理想的激光输出功率。腔的另一端用金属镍网作耦合输出。在金属网前 5mm 处平行地安装五根直径 50 μm 的钨丝，这样就可以得到线偏振的激光输出，偏振方向垂直于钨丝。输出窗口用 X 切石英片密封。用四根直径 25mm 的因瓦合金将激光管紧紧地连成一体，这样激光器具有一定的稳定性和机械稳定性。

1. 用四根直径 25mm 的因瓦（ Invar ）合金 代替石英玻璃管固定激光器，使之具有更高的热稳定性和机械稳定性。

2. 在腔的两端使用侧密封的机械结构，这样就不必要在每次开腔后都要对光。

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Laser tubeLaser tube Laser tube

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Crystal plate

激光器的改进：

工作气体和清洗气体多路流量计

真空系统： 一台旋片式真空泵通过一个玻璃缓冲瓶与放电管相接，其极限真空度可达 5Pa 。工作气体或清洗气体由多路流量计控制进入放电管（可用计算机实施远程控制）。

DCN 研制进展

电源：一台 20KVA 高压开关恒流源，输出电流在 0.5~2.0A范围内连续可调，输出电压在 2.5KV~7KV 内变化。

激光器的运行温度由放电管外面油套冷却系统控制，油套内灌 201#甲基硅油，油温由超级恒温器控制（最高温度200oC ）。

DCN 激光器的气体配比实验

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Oil Temprature(0C)

对影响出光功率和放电稳定性的气体配比、油温、放电电流和气体压力进行大量的台面实验：

激光功率随油温的变化 激光功率随放电电流的变化

气体比例： N2:CD4:He =8 ： 10： 75

油温 : 180oC放电电流 : 1.2A气压 : 70Pa

以氦气、氮气和氘化甲烷为工作气体，在下列参数下获得最大 DCN激光输出功率大于 200mW（接近国外文献给出的值）。

H.Q.Liu et al., Inter’l J IR & MMW 2004

但是使用 N2:CD4:He 混合气体 DCN 激光器壁上会有附着物沉积，激光器的输出功率将会严重下降，典型值为 100 小时放电，功率下降 90% 。这在连续运行的 EAST 上是不能忍受的。

棕色附着物

根据我们运行 HCN 激光器的经验，用氘气（ D2 ） 代替 He ，利用 D2 的清洗作用阻止附着物的产生。实验证明这是成功的。即使在较低的温度下，运行 60 多小时也未发现附着物的生成。在下列优化参数下，获得大于 160mW 的DCN 激光功率：

Mixture gas ： N2:CD4:D2 = 4:5:20

Oil temperature: 145oCCurrent: 0.8APressure: 60Pa

Y.X.Jie et al., Inter’l J IR & MMW 2004

DCN 激光器的输出特性研究

输出模式的观测： λ1 为 195μm ， λ2 为 190μm

输出光束在远场的特性

输出光束在近场的特性

L.Gao et al., Inter’l J IR & MMW 2004

DCN 干涉仪

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窗口布局图

DCN 干涉仪窗口（东南方）

Side-view of DCN Interferometer on EAST

DCN 干涉仪研制进展

Top-view of DCN interferometer on EAST

Optic arrangement of DCN interferometer on EAST

DCN 干涉仪研制进展

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困难和解决的办法

潮湿空气 (水蒸气）对 DCN 激光功率的吸收

P(z)=P0exp(-αz) P0 为激光器出光窗口处的输出功率

P(z) 为距激光器出光窗口距离为 z 处的激光功率

α 为潮湿空气对激光的吸收率

α195=0.125 (温度为 15 ℃ ，绝对湿度为 1gm-3 ，相对湿度 8%)

这是文献提供的数据。

我们实验中测量的数据：P0=108mW 室温 22oC 相对湿度 50% （合肥地区正常湿度）

Z: 6m 12.5m

P(z): 45mW 10mW

α: 0.21 0.23

对于 EAST 干涉仪，其光程大于 20 米，激光功率会衰减到不足 1% 。所以整个光路需要密封，给设计和调节光路带来困难。除了采取密封措施外，目前正在联系采购国外更高灵敏度的探测器（如 InTe 探头）。

氘化甲烷（ CD4）气体须从国外购买，价格较贵。

为节约用气，拟采用计算机远程控制流量计关断的方法。在装置放电间歇期，关断氘化甲烷的流量，以达到节约用气的目的。

为解决传统的钽阴极容易打火和寿命不长的问题，拟采用六硼化镧（ LaB6）阴极结构：

LaB6 是很好的热电子发射材料，可以在可拆卸的真空系统中使用，耐离子轰击、蒸发率低、抗溅射，寿命更长 ,基本性能：熔点 ~2500℃电子逸出功 2.66~2.68ev

平均发射电流密度 ~8A/cm2

使用温度 ~1300℃抗中毒性 可反复暴露大气

M.Asif et al., Inter’l J. IR & MMW 2004

LaB6

阴极

钽阴极已取得初步实验结果，尚需改进结构。

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• 困难和解决的办法

• 小结

1 、 EAST 远红外 DCN 激光干涉仪目前已经完成： DCN 激光器的研制和相关台面实验； 干涉仪基本的光路安排； 光栅的加工； 相位差计。2 、需要完成的工作：光栅的台面实验、波导的台面实验

等； LaB6阴极的改进实验；干涉仪的机械设计和光学元件的加工；探头的订购。

3 、计划：2004 年 10 月初，完成单道 DCN 干涉仪台面实验；2004 年 12 月底，完成 EAST 六道远红外 DCN 激光干涉仪的所有光学和机械设计；2005 年 6 月完成光学和机械加工；2005 年 12 月安装调试完毕，用于 EAST 密度测量。

小结

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